量子點（Quantum Dots）

量子點（Quantum Dots）
臺北市立第一女子高級中學二年級高廷瑋/臺北市立第一女子高級中學化學科許名智老師

量子點簡介

量子點是準零維的奈米材料，由少量的原子所構成。粗略地說，量子點三個維度的尺寸都在100奈米以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內部電子在各方向上的運動都受到侷限，所以量子侷限效應（quantum confinement effect）特別顯著。由於量子侷限效應會導致類似原子的不連續電子能階結構，因此量子點又被稱為「人造原子」（artificial atom）。

量子點定義

若要嚴格定義量子點，則必須由量子力學出發。電子具有粒子性與波動性，而電子的物質波特性取決於其費米波長。在一般塊材中，電子的波長遠小於塊材尺寸，因此量子侷限效應不顯著。如果將某一個維度的尺寸縮到小於一個波長，此時電子只能在另外兩個維度所構成的二維空間中自由運動，這樣的系統我們稱為量子井（quantum well）；如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小於一個波長，則電子只能在一維方向上運動，我們稱為量子線（quantum wire）；當三個維度的尺寸都縮小到一個波長以下時，即成為量子點（quantum dot）。

量子點製備方式

目前量子點的製造方法主要有以下四種：
1. 化學溶膠法（chemical colloidal method）：
化學溶膠方式合成，可製作複層（multilayered）量子點，過程簡單，且可大量生產。

2. 自組成法（self-assembly method）：
採用化學氣相沉積（chemical vapor deposition）製程，並利用晶格不匹配（lattice mismatch）的原理，使量子點在特定基材表面自聚生長，可大量生產排列規則的量子點。

3. 微影蝕刻法（lithography and etching）：
以光束或電子束直接在基材上蝕刻製作出所要之圖案，由於相當費時因而無法大量生產。

4. 分閘法（split-gate approach）：
以外加電壓的方式在二維量子井平面上產生二維侷限，可改變量子點的形狀與大小，適合用於學術研究，無法大量生產。

量子點敏化太陽能電池

以量子點作為太陽能電池敏化物質，為目前極具潛力之應用。作為太陽能電池敏化物質，有別於染料敏化型太陽能電池之有機染料分子，量子點之吸收波段可藉由改變製程變因（包括材料組成、粒子型態）的手段來訂做合適的光吸收材料。迄今，有機染料對外界環境包括光、熱始終存在高度的不穩定性，在太陽紫外線照射下，分子發生裂解現象而致使效率降低為目前公認分子染料最大的問題，而表面改質後之量子點則十分穩定。再者，量子點較染料分子具有更高的消光係數，可降低暗電流（dark current）產生，同時亦增加電池的整體效率。此外其具更快的電荷分離速率，甚至藉由撞擊式離子化技術可使量子點在每一次的激發過程中產生多重激子，換言之，激發電子產生效率可達200-300%。以上皆為量子點作為敏化物質優於染料分子之處。

量子點的廣泛應用

量子點的用途相當廣泛，例如：可用於藍光雷射、光感測元件、單電子電晶體、記憶儲存、觸媒以及量子計算等，在醫療上更利用各種發光波長不同的量子點製成螢光標籤，成為生物檢測用的「奈米條碼」。量子點是目前理論上與實驗上的熱門研究題目，世界各國無不積極投入研究，主要領先的有美國、日本、歐盟及俄羅斯等，臺灣也正在急起直追中。

參考資料：
1. 林銘杰（2002），「開放式量子異質結構之準穩態研究」，國立交通大學博士論文
2. 維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%87%8F%E5%AD%90%E7%82%B9